SB_00044LP

2024
Abschlussbericht
DVS-Forschung
Konzept, klebtechnische
Fertigung und Funktion
von Brennstoffzellen-
Demonstratoren
auf Basis nachwachsender
Rohstoffe

Konzept, klebtechnische
Fertigung und Funktion von
Brennstoffzellen-
Demonstratoren auf Basis
nachwachsender Rohstoffe
Abschlussbericht zum
Forschungsvorhaben
IGF-Nr.: 00.044
DVS-Nr.: 08.3547
Technische Universität Braunschweig
Institut für Füge- und Schweißtechnik
Zentrum für BrennstoffzellenTechnik
ZBT GmbH
Fraunhofer-Gesellschaft e.V. Fraunhofer
Institut für Holzforschung Wilhelm-
Klauditz-Institut, WKI
Förderhinweis:
Das IGF-Vorhaben Nr.: 00.044 N / DVS-Nr.: 08.3547 der Forschungsvereinigung
Schweißen und verwandte Verfahren e.V. des DVS, Aachener Str. 172, 40223 Düsseldorf,
wurde über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen
Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie
aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.

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Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der
Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind online
abrufbar unter: http://dnb.dnb.de
© 2024 DVS Media GmbH, Düsseldorf
DVS Forschung Band 603
Bestell-Nr.: 170713
Kontakt:
Forschungsvereinigung Schweißen
und verwandte Verfahren e.V. des DVS
T +49 211 1591-0
F +49 211 1591-200
forschung@dvs-home.de
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Schlussbericht vom 28.05.2025
zum IGF-Vorhaben FKZ 01IF00044EL
Thema
Konzept, klebtechnische Fertigung und Funktion von Brennstoffzellen-Demonstratoren auf Basis nachwachsender
Rohstoffe
Berichtszeitraum
01.11.2021 bis 31.12.2024
Forschungsvereinigung
Schweißen und verwandte Verfahren des DVS e.V.
Aachener Str. 172
40223 Düsseldorf
Forschungseinrichtung(en)
Technische Universität Braunschweig, Institut für Füge- und Schweißtechnik (IFS)
Langer Kamp 8
38106 Braunschweig
ZBT - Zentrum für Brennstoffzellen-Technik GmbH (ZBT)
Carl-Benz-Straße 201
47057 Duisburg
Fraunhofer Institut für Holzforschung Wilhelm-Klauditz-Institut (WKI)
Riedenkamp 3
38108 Braunschweig
IGF-VORDRUCK DLR-PT Stand: Januar 2025

Inhaltsverzeichnis
Inhaltsverzeichnis
1. Einleitung ..........................................................................................................................4
1.1 Problemstellung und Motivation........................................................................ 5
1.2 Zielsetzung ....................................................................................................... 6
1.3 Stand der Technik ............................................................................................ 6
1.3.1 Brennstoffzellen ................................................................................................ 6
1.3.2 Klebtechnik ....................................................................................................... 9
1.3.3 Biobasierte Brennstoffzellenkomponenten ..................................................... 10
1.4 Forschungshypothese und methodischer Ansatz ........................................... 13
2. Durchgeführte Arbeiten und Ergebnisse ...........................................................................16
2 ........................................................................................................................ 17
2.1 Arbeitspaket 1: Erstellung eines Lastenhefts (ifs & ZBT & WKI) .................... 17
2.2 Arbeitspaket 2: Konzeptionierung der Fügeschritte (ifs)................................. 19
2.2.1 Baltic Zelle ...................................................................................................... 20
2.2.2 Aufbau Zelle (ZBT-Testdesign) und daraus resultierender
Brennstoffzellenstack...................................................................................... 24
2.2.3 Klebstoffeinsatz .............................................................................................. 28
2.2.4 Technologieauswahl und Umsetzung ............................................................. 33
2.2.5 Teilflächige Klebstoffapplikation im FlowField ................................................ 33
2.2.6 Stromabnehmer sowie Rand- und Isolierplatte ............................................... 38
2.3 Arbeitspaket 3: Charakterisierung der Oberflächen und Klebstoffe (ifs & ZBT)39
2.3.1 Oberflächenvorbehandlung (Corona und Plasma) ......................................... 39
2.3.2 Verwendete Anlagentechnik ........................................................................... 40
2.3.3 Eingesetzte Materialien .................................................................................. 41
2.4 Arbeitspaket 4: Fügen von Versuchszellen, BPP und Endplatten (ifs & ZBT) 48
2.4.1 Applikationstreffen am ifs ............................................................................... 48
2.4.2 Planare Anforderungen an Ausgangsbauteile ................................................ 50
2.4.3 Qualitätskontrolle durch µCT .......................................................................... 53
2.4.4 Kupfer PC Compound .................................................................................... 55
2.4.5 Verzug bei geklebten Bauteilen ...................................................................... 55
2.4.6 Kupfer PC/ABS Compound Holz - fully bonded Stack .................................... 61
2.5 Arbeitspaket 5: Herstellung und Tests von 1 Zellern (ifs & ZBT) .................... 63
2.6 Arbeitspaket 6: Herstellung und Tests von 5 Zellern (ifs & ZBT) .................... 69
2.7 Arbeitspaket 7: Langzeituntersuchung (ifs & ZBT) ......................................... 72
2.8 Arbeitspaket 8: Wirtschaftlichkeitsanalyse und Ökologische HotSpot Analyse82
2.9 Arbeitspaket 9: Dokumentation und Workshop .............................................. 99
Seite 2
2.10 Ausblick ........................................................................................................ 100
Schlussbericht zu dem IGF-Vorhaben 01IF00044EL

3. Verwendung der Zuwendung .........................................................................................101
4. Notwendigkeit und Angemessenheit der geleisteten Arbeit .............................................107
5. Darstellung des wissenschaftlich-technischen und wirtschaftlichen Nutzens der erzielten
Ergebnisse insbesondere für KMU sowie ihres innovativen Beitrags und ihrer industriellen
Anwendungsmöglichkeiten ............................................................................................108
6. Wissenstransfer in die Wirtschaft ...................................................................................110
- Durchgeführte Transfermaßnahmen ..............................................................................110
- Geplante spezifische Transfermaßnahmen nach der Projektlaufzeit .................................112
7. Literaturverzeichnis ........................................................................................................113
8. Literaturverzeichnis / Bibliography ...............................................................................113
9. Förderhinweis ................................................................................................................118
10. Angaben über gewerbliche Schutzrechte .........................................................................119
11. Kurzzusammenfassung ...................................................................................................120
12. Danksagung ...................................................................................................................122
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Schlussbericht zu dem IGF-Vorhaben 01IF00044EL

1. Einleitung
Die Europäische Union (EU) verfolgt das Ziel, bis spätestens 2050 klimaneutral zu werden. Die
Förderung von Wasserstoffstrategien. Insbesondere grüner Wasserstoff, der mittels erneuerbarer
Energien produziert wird, ist ein zentraler Baustein dieses Vorhabens. Im Juli 2020 präsentierte die
EU-Kommission eine umfassende Wasserstoffstrategie mit dem Ziel die Wasserstoffproduktion zu dekarbonisieren
und ein integriertes, klimaneutrales Energiesystem zu etablieren.
Auf nationaler Ebene strebt Deutschland an, bereits bis 2045 klimaneutral zu sein [1]. Ein wesentliches
Instrument zur Erreichung dieses Ziels ist die im Juni 2020 verabschiedete Nationale Wasserstoffstrategie
(NWS), welche im Juli 2023 fortgeschrieben wurde. Diese Strategie zielt darauf ab, die
Erzeugung von klimaneutralem Wasserstoff zu fördern und Deutschland zu dem führenden Anbieter
modernster Wasserstofftechnologien weltweit zu machen. Bis 2030 sollen Wasserstoffelektrolyseure
mit einer Gesamtleistung von zehn Gigawatt installiert werden [2].
Um einen erfolgreichen Markthochlauf von Wasserstofftechnologien zu unterstützen, ist es notwendig
entsprechend leistungsfähige Technologien zu erforschen und diese der Industrie mit möglichst
geringen Einstiegshürden bereitzustellen. Das soll dazu beitragen, den CO₂-Ausstoß in den Bereichen
Industrie, Verkehr und Energie gemäß den Vorgaben zu reduzieren und gleichzeitig die Wettbewerbsfähigkeit
der deutschen Wirtschaft zu stärken.
Angesichts der drängenden Herausforderungen des Klimawandels und der globalen Bemühungen
um eine nachhaltige Energiezukunft rücken emissionsfreie und hocheffiziente Energiewandler zunehmend
in den Fokus. Brennstoffzellen gelten hierbei als zukunftsweisende Technologie, da sie im Gegensatz
zur Verbrennung fossiler Energieträger keine CO₂-Emissionen verursachen und gleichzeitig
deutlich effizienter arbeiten [3, 4]. Während konventionelle Kraftwerke auf der Basis von Wärme-Kraft-
Prozessen nur begrenzte Wirkungsgrade erreichen und dabei einen erheblichen Teil der eingesetzten
Energie in Form von Abwärme verlieren, wandeln Brennstoffzellen chemische Energie direkt und verlustarm
in elektrische Energie um [5]. Auch im Vergleich zu anderen regenerativen Energien wie Windoder
Solarenergie, die naturgemäß fluktuieren und somit auf effiziente Speicherlösungen angewiesen
sind, bieten Brennstoffzellensysteme den Vorteil einer bedarfsgerechten und dezentralen Energieerzeugung
– insbesondere, wenn sie mit grünem Wasserstoff betrieben werden, der zuvor aus überschüssigem
Strom erzeugt wurde.
Ein besonders vielversprechender Typ ist die Niedertemperatur-Polymerelektrolytmembran-
Brennstoffzelle (PEM-Brennstoffzelle), die aufgrund ihrer kompakten Bauweise, schnellen Reaktionsfähigkeit
und niedrigen Betriebstemperaturen (typisch 60–80 °C) vielfältig einsetzbar ist [5]. Sie eignet
sich sowohl für den mobilen Bereich – etwa in Fahrzeugen, Zügen oder Schiffen – als auch für stationäre
Anwendungen wie in der Hausenergie- und Wärmeversorgung, industriellen Anlagen oder Rechenzentren.
Gerade im stationären Betrieb lässt sich die Brennstoffzelle ideal mit Konzepten der Kraft-
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Schlussbericht zu dem IGF-Vorhaben 01IF00044EL

Wärme-Kopplung (Combined Heat and Power, CHP) kombinieren, wodurch neben Strom auch nutzbare
Wärme bereitgestellt wird [6].
Im Kontext von Power-to-X-Konzepten, der Umwandlung überschüssiger erneuerbarer Energie in
energiereiche und speicherbare Stoffe wie Wasserstoff oder Methan spielen Brennstoffzellen ebenfalls
eine zentrale Rolle [7–9]. Während Elektrolyseure zur Herstellung von Wasserstoff aus grünem Strom
dienen, können Brennstoffzellen diesen Wasserstoff bei Bedarf wieder rückverstromen. Darüber hinaus
sind Brennstoffzellen einfach zu skalieren, wodurch mit geringem Aufwand eine entsprechende
Anpassung an den Leistungsbedarf stattfinden kann. Dies macht sie zu einem essenziellen Baustein
in zukünftigen, sektorgekoppelten Energiesystemen, in denen Strom, Wärme, Mobilität und industrielle
Prozesse intelligent und ressourcenschonend miteinander vernetzt werden.
1.1 Problemstellung und Motivation
Mit der zunehmenden Bedeutung der Brennstoffzellentechnologie im Hinblick auf den Energiewandel
rückt nicht nur die Funktionalität, sondern auch die ökologische Gesamtbilanz der eingesetzten Materialien
in den Fokus. Vor diesem Hintergrund gewinnt der Einsatz biobasierter Materialien entlang der
Wertschöpfungskette zunehmend an Bedeutung. Biobasierte Klebstoffe, die auf nachwachsenden
Rohstoffen basieren, ermöglichen eine ressourcenschonende und potenziell CO₂-neutrale Verbindungstechnik.
Speziell bei der Herstellung und Abdichtung von Komponenten innerhalb des Stacks
können biobasierte Klebstoffe eine elementare Rolle spielen. Bereits durchgeführte Forschungsprojekte
wie zum Beispiel „Thermoaktivierbare Bio-Klebstoffe“ (ThermoBiK) haben gezeigt, dass biobasierte
Polyurethanklebstoffe die Treibhausgasemissionen um mehr als 25 % gegenüber herkömmlicher
erdölbasierter Polyurethanklebstoffe reduzieren können [10]. Ebenso werden biobasierte Thermoplaste
als Matrixmaterialien für spritzgegossene Bauteile (Bipolarhalbplatte) in der Brennstoffzelle für
das Forschungsvorhaben FV Bio in Betracht gezogen. Diese müssen eine ausreichende mechanische
Stabilität und chemische Beständigkeit bieten. Darüber hinaus werden eine verbesserte Recyclingfähigkeit
und eine geringere Umweltbelastung gegenüber erdölbasierten Kunststoffen angenommen.
Beispielsweise werden im Projekt FC-Bio thermoplastische Bipolarplatten aus nachwachsenden Rohstoffen
entwickelt, die mittels Spritzgusses kostengünstig hergestellt werden können. Ergänzend dazu
bieten holzbasierte Randplatten eine nachhaltige Alternative zu konventionellen, aluminiumbasierten
Werkstoffen. Durch die Integration solcher Materialien wird angenommen, dass Umweltwirkungen über
den gesamten Lebenszyklus der Brennstoffzelle hinweg reduziert und neue Wege hin zu einer bioökonomisch
orientierten Kreislaufwirtschaft beschritten werden können.
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Schlussbericht zu dem IGF-Vorhaben 01IF00044EL

Diese Entwicklungen zeigen, dass die Transformation zu einer klimaneutralen Energietechnologie
nicht allein über die Antriebstechnologie erfolgt, sondern auch durch die konsequente Substitution konventioneller
Materialien durch biobasierte Alternativen entlang der gesamten Prozesskette unterstützt
werden kann.
Bislang existieren weder auf Basis anderer experimenteller Forschungsprojekte noch auf industriell
umgesetzten Produktlösungen Mögliche Referenzen, die im großen Stil biobasierte Materialien, oder
sogar Holz als Werkstoff in der Brennstoffzelle einsetzen. Somit ist das Zusammenspiel der Substitution
oben genannter Werkstoffe für konventionelle Werkstoffe und Fügeverfahren eine erstmalige Herausforderung.
Der vollständige Austausch durch biobasierte Materialien ist zwar das grundsätzlich erklärte
Ziel, jedoch muss auch die Bauteilleistung berücksichtigt werden. Somit muss das maximale,
aber dennoch funktionstüchtige Verhältnis zwischen biobasierten und konventionellen Materialien gefunden
werden.
Gerade im Kontext zunehmender Nachhaltigkeitsanforderungen und EU-Vorgaben zur Kreislaufwirtschaft
(z. B. EU Green Deal, REACH-Verordnung) könnte der Einsatz biobasierter und lösungsmittelfreier
Klebstoffe nicht nur ökologische Vorteile, sondern auch regulatorische Erleichterungen und
Marktvorteile für Hersteller und Anwender mit sich bringen. Für kleine und mittlere Unternehmen aus
den Bereichen Klebstoffchemie, Fügetechnik und Materialverarbeitung ergibt sich daraus ein zukunftsträchtiges
Innovationsfeld mit hoher Relevanz für den Transfer in industrielle Anwendungen.
1.2 Zielsetzung
Das Teilprojekt 1 – Joint and Function greift an dem Punkt die Ergebnisse der anderen drei Teilprojekte
(TP2: Wooden Endplate, TP3: Compound and Filler und TP4: Bio Adhesives) auf und untersucht
das Zusammenspiel dieser. Das erklärte Ziel für Teilprojekt 1 ist somit die in den einzelnen Teilprojekten
als erfolgreich und betriebstauglich geprüften Materialien über geeignete und zu definierende Fügeverfahren
gemeinsam in einen Brennstoffzellenstack zu kombinieren und eine möglichst hohe Anzahl
an funktionsnahen Betriebsstunden zu generieren. Die dabei regelmäßig durchgeführten Systemshutdowns
und erneuten Anläufe, sowie die kontinuierlich erfassten Parameter wie Betriebstemperatur,
Nennstrom und -spannung des Brennstoffzellenstacks lassen eine genaue Analyse der Leistungsfähigkeit
und Dauerbeständigkeit des Materialverbunds zu.
1.3 Stand der Technik
1.3.1 Brennstoffzellen
Die strategische Bedeutung der Brennstoffzellentechnologie spiegelt sich auch in einer Reihe nationaler
und internationaler Leuchtturmprojekte wider, die als Vorreiter für eine breitere Markteinführung
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Schlussbericht zu dem IGF-Vorhaben 01IF00044EL